合作来了！清华、中科大、北京量子院等：通过无交换相互作用实现超导腔之间的量子态转移

11月26日，清华大学、中国科学技术大学、北京量子信息科学研究院、合肥国家实验室的科研人员携手合作，在《Physical Review Letters》期刊上发表了题为“Quantum State Transfer between Superconducting Cavities via Exchange-Free Interactions”（通过无交换相互作用实现超导腔之间的量子态转移）的研究论文，Jie Zhou为论文第一作者，王韦婷（博士后）、邹长铃教授、孙麓岩教授为论文共同通讯作者。

研究提出并实验演示了一种用于在超导腔之间转移量子态的新协议。这种方法使用连续双模压缩相互作用来产生纠缠，且无需交换任何作为载体的光子。与量子隐形传态中的纠缠和贝尔态测量的离散操作不同，该方案是对称且连续的。本文通过实验实现了任意量子态的相干和双向转移，包括玻色子量子纠错码。研究结果为量子态转移和量子隐形传态提供了新的见解。特别是，实验演示验证了一种实现量子转导器的新方法，并可能在物理平台上得到广泛应用。

研究背景

量子态转移（Quantum State Transfer，QST）是在量子网络中不同节点之间忠实地传输量子信息的能力，是各种量子信息处理任务的基本要求，包括量子通信、分布式量子计算以及量子密码学。传统上，通过交换相互作用（例如微波、声波或光波的传播模式，或者通过不同类型信息载体之间的转导）来直接传输物理载体，进而实现经典信息的转移。这种方法已推广到单个量子水平，基于交换相互作用的量子态转移已经在超导线路、离子阱和中性原子等各种物理系统中实现。然而，在量子领域，量子隐形传态协议挑战了这一概念，因为它允许在不发送量子信息载体的情况下转移任意量子态。

量子隐形传态依赖于发送方（量子信息载体A）和接收方（载体B）之间预先共享的纠缠态，然后在发送方一侧，在载体A和载体C上的未知量子态之间进行本地贝尔态测量，向接收方进行经典通信。从这个意义上说，量子信息从载体中脱离然后被转移。此前，量子隐形传态已经在量子线路框架内得到了研究与推广，涉及不同节点上的离散门操作。受量子隐形传态概念的启发，一个有趣的问题出现了：能否将无载体交换的量子态转移这一想法推广到连续演化系统，并通过在节点之间连续地生成、检测量子纠缠来实现？

图1：无需交换的量子态转移（QST）原理。（a）实验系统的有效线路模型以及实验概念。（b）QST过程的Trotter分解。（c）标准量子隐形传态协议的量子线路。值得注意的是，(b)和(c)都使用纠缠来促进量子态的转移，而无需交换任何载流子。

本文提出并实验验证了一种仅使用连续双模压缩相互作用在超导腔之间进行量子态转移（QST）的新方案，无需任何交换光子激发的物理过程。与量子隐形传态的单向特性相比，该方案是对称的，能够实现相干且双向的QST。研究实现了两个腔之间违反直觉的相干交换操作，并通过Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉实验验证了其相干且双向的特性。此外，该方案适用于任意的玻色模式量子态，如通过转移可纠错的玻色码来证明，该过程中的光子丢失错误得到了缓解。该方案对玻色系统是通用的，可以扩展到声子模式、囚禁离子和混合量子系统。此外，方案扩展了相干量子转导和频率转换的工具箱，为QST提供了更多的灵活性。这种方法有潜力解决各种应用场景中的实际挑战和限制，例如更高效的微波-光学频率转导、电信信道之间的相干转换，以及超导线路中稳健的QST。

理论方法

研究方法的核心在于使用辅助transmon量子比特（Y1和Y2）来介导相邻腔（S1、S2和S3）之间的相互作用。通过驱动共享transmon量子比特Y1或Y2，可以实现S1（或S3）和S2之间的双模压缩相互作用。这种相互作用可以通过以下哈密顿量描述：

该方案的另一个关键特点是，通过连续的时间演化，系统可以被视为量子隐形传态协议的连续版本。由于S1和S3之间的对称性，通过重排Bell态的生成和检测，可以实现从S3到S1的相干QST，从而实现双向QST，即两个模式之间的量子态相干交换。

图2：单光子量子态转移（QST）实验。

此外，论文还提出了一种两步纯化协议，以减少S2中的残余光子和Y1、Y2中的泵浦诱导激发，从而提高单光子QST过程的效率。通过这种方法，可以实现任意量子态的转移，包括具有错误校正能力的玻色码，且在QST过程中光子丢失的错误得到了缓解。

实验过程

实验过程的核心目标是在超导腔之间实现无需光子激发交换的量子态转移（QST），涉及精细的量子系统操控和测量。

实验系统由三个高品质的超导腔（S1, S2, S3）和四个transmon量子比特（I1, I2, Y1, Y2）组成。这些组件通过精确设计的线路量子电动力学（QED）系统进行耦合。每个量子比特与一个低品质因数的谐振器耦合，以便快速读出量子态信息。

所有控制脉冲通过IQ混合过程生成，由任意波形发生器（AWG）或现场可编程门阵列（FPGA）板的DAC输出产生。为了确保相位锁定，S1、S3和四波混频脉冲的驱动共享相同的本地振荡器。输出信号通过约瑟夫森参量放大器（JPA）以及4K下的高电子迁移率晶体管放大器进行放大。

实验中测量了不同模式之间的非线性耦合强度，确保S1和S3之间的直接耦合强度足够小，可以忽略不计。通过向辅助transmon量子比特Y1(2)施加非共振泵浦音调来实现S1(3)和S2之间的双模压缩相互作用（TMS）。通过精确控制泵浦频率和失谐δ，可以实现S1和S3之间的有效态转移。

实验从在腔S1中制备Fock态|1⟩开始。然后，对Y1和Y2施加两个泵浦，持续可变的时间t，泵浦强度被精确设置以维持g/2π≈80 kHz。接着，从腔到控制量子比特I1和I2解码量子信息以进行测量。

为了减少S2中的残余光子和Y1、Y2中的泵浦诱导激发的影响，实验执行了一个两步纯化协议。首先，在解码和层析过程后，仅当两个辅助量子比特Y1和Y2都被测量在其基态时，才保留数据。其次，通过向Y1施加光子数选择性的π脉冲来进一步纯化腔S2。

图3：HOM干涉实验。

实验通过初始化两个腔到联合光子数态|11⟩，并在开启相互作用后监测光子数态|11⟩、|02⟩和|20⟩的布居演化，来验证方案的相干性和双向性。HOM干涉实验结果表明了在S1和S3之间存在明显的量子纠缠。

为了验证不同状态下的QST，包括纠错的逻辑态，制备了S1中的逻辑态，并在QST完成后测量了S3中状态的Wigner函数。通过引入奇偶性测量，可以检测在QST过程中的单光子丢失错误，并相应地纠错。

图4：在泵浦失谐量δ/2π=463 kHz时，不同状态的量子态转移（QST）。（a）用于错误可纠正逻辑态的QST实验序列。（b）二项式逻辑态|0L⟩和|+iL⟩的制备和接收Wigner函数。

实验中还对不同错误类型对结果的影响进行了分析，包括辅助量子比特激发、S2中的残余光子、腔退相干以及态制备和层析过程引起的失真度。通过比较不同条件下的进程保真度，计算了每种错误类型对总失真度的贡献。

根据实验结果，研究团队对系统进行了优化和调整，以提高QST的效率和保真度，包括调整泵浦频率和强度，以及改进量子态的制备与测量过程。

整个实验过程展示了在超导腔系统中实现高效、相干且双向的量子态转移的复杂性和精确性。通过精确控制量子系统的相互作用和精确测量量子态，研究团队成功地展示了量子态在不同模式之间的相干和双向转移。

研究结果不仅为量子态转移和量子隐形传态提供了新的视角，还为量子网络和分布式量子计算架构的实现提供了新的见解。该方案可以应用于某些实验场景，这些场景中直接量子频率转换困难，但双模压缩更为高效。

主要研究人员

邹长铃，中国科学技术大学特任教授、博士生导师，主要研究方向为集成光学与量子光学，腔光机械系统。

孙麓岩，清华大学交叉信息研究院教授，研究方向为基于超导的量子信息处理。

参考链接

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.220801

[2]http://lqcc.ustc.edu.cn/hr47.html

[3]https://iiis.tsinghua.edu.cn/zh/sunluyan/